劉茹文 朱佑滔

摘要：應(yīng)急電源系統(tǒng)是后勤安全保障的重要組成部分，一旦應(yīng)急電源系統(tǒng)發(fā)生故障，將直接影響其他系統(tǒng)的正常工作，后果嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){到生命安全。現(xiàn)針對(duì)應(yīng)急電源充電電流異常時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)急電源故障進(jìn)行詳細(xì)的原理分析，并對(duì)排查出的故障問題進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，以避免今后應(yīng)急電源再發(fā)生類似的故障問題。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急電源系統(tǒng)；充電電流；沖擊電流

中圖分類號(hào)：U270.38+1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）12-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.002

0? ? 引言

應(yīng)急電源是在無市電的情況下采用電池組形式供電，通過控制器獲取直流信號(hào)源，為其提供特定大小的電流源[1]。某型號(hào)應(yīng)急電源在調(diào)試期間連續(xù)發(fā)生5次故障，故障非常頻繁[2]。故障現(xiàn)象為上位機(jī)顯示充電電流為0 A，應(yīng)急電源正常充電，BMS控制器上報(bào)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，點(diǎn)擊“復(fù)位”按鍵后，故障仍然無法復(fù)位，從而使得整個(gè)項(xiàng)目的所有任務(wù)被迫中止，因此必須對(duì)該應(yīng)急電源故障進(jìn)行深入分析，從根本上解決該故障問題[3]。

1? ? 應(yīng)急電源設(shè)計(jì)原理

應(yīng)急電源主要由鋰電池模組、BMS主控[4]、BMS從控、配電線路、機(jī)柜和配套軟件等組成，采用鈦酸鋰電池作為儲(chǔ)能單元，通過BMS主控和BMS從控進(jìn)行電池管理和配電控制，輸出高壓直流電經(jīng)供配電系統(tǒng)電源變換和配電后，為設(shè)備不間斷供電。

鋰電池模組由7P12S電池模組、BMS從控、接插件及結(jié)構(gòu)件組成，主要實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存、單體電壓/溫度采集/均衡、通信等；控制箱由BMS主控、充放電控制組件、電壓傳感器、電流傳感器、絕緣檢測(cè)儀、接觸器、二極管、接插件及結(jié)構(gòu)件等組成，主要實(shí)現(xiàn)充放電的控制，電壓、電流采集，均衡控制，絕緣阻值、故障告警等上報(bào)[5-6]。應(yīng)急電源的原理框圖如圖1所示。

高壓直流母線回路有一個(gè)獨(dú)立電流傳感器PA1，電流傳感器檢測(cè)應(yīng)急電源直流母線電流信號(hào)，電流信號(hào)通過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，BMS主控采集電壓信號(hào)，經(jīng)軟件處理后通過CAN總線上傳給CAN1/CAN2網(wǎng)段。應(yīng)急電源電流采樣及數(shù)據(jù)上傳原理框圖如圖2所示。

2? ? 故障分析

跟蹤發(fā)現(xiàn)某型應(yīng)急電源故障時(shí)上位機(jī)顯示充電電流數(shù)據(jù)異常，通過對(duì)應(yīng)急電源硬軟件、故障數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出了可能出現(xiàn)的所有故障，故障樹如圖3所示。

2.1? ? 大電流充電

當(dāng)BMS主控讀到電流超過73 A后，軟件邏輯處理為0 A。用AC/DC充電機(jī)給應(yīng)急電源進(jìn)行充電，并測(cè)試應(yīng)急電源母線電壓和電流波形如圖4所示，從圖中可以看出，開關(guān)閉合瞬間沒有出現(xiàn)過大的沖擊電壓[7]、電流，故可排除大電流充電的過程。

2.2? ? 電流傳感器到主控的采樣線與插頭匹配故障

BMS主控J2插頭4、5為電流傳感器輸出信號(hào)，如果有故障，BMS主控將采集不到電流傳感器的輸出值，從而導(dǎo)致電流為0 A。因此，問題查找的關(guān)鍵是對(duì)應(yīng)急電源產(chǎn)品控制箱BMS主控J2插頭的生產(chǎn)工藝進(jìn)行排查，排查內(nèi)容主要包括虛焊，接口處光潔、平滑、無拉尖，焊杯之間無多余物。同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)記錄進(jìn)行復(fù)查，如環(huán)篩、老煉、運(yùn)輸振動(dòng)等。經(jīng)過進(jìn)一步的篩選，以上環(huán)節(jié)均未出現(xiàn)異常問題。

2.3? ? 電流傳感器故障

問題均發(fā)生在應(yīng)急電源上電后，且問題一直存在。應(yīng)急電源在初始上電后負(fù)載存在約10 μF的電容，按照實(shí)際負(fù)載環(huán)境搭建測(cè)試環(huán)境，在應(yīng)急電源輸出端口加10 μF左右電容，并連接電阻負(fù)載，在電流傳感器輸出端串入電流表，對(duì)應(yīng)急電源進(jìn)行反復(fù)開關(guān)機(jī)測(cè)試，用示波器和電流表測(cè)試母線電壓、母線電流、PA1電流傳感器采樣信號(hào)輸出值。正常情況下，PA1電流傳感器測(cè)試值與電流值換算關(guān)系如下：

當(dāng)電流大于70 A時(shí)，超出電流傳感器量程，電流傳感器采樣輸出的理論值大于70 mA；當(dāng)電流回到0 A時(shí)，電流傳感器采樣輸出值為0 mA。

經(jīng)過測(cè)試，在應(yīng)急電源上電過程中，因系統(tǒng)中存在電容、電感和電阻（高壓線纜存在阻值和電感量），會(huì)出現(xiàn)短時(shí)電容充電大電流，充電完成后電容給電感線圈放電，經(jīng)測(cè)試母線峰值電流為200 A，持續(xù)時(shí)間80 μs，然后電容給線纜電感放電，穩(wěn)定后母線電流值為0 A，測(cè)試波形如圖5所示。

理論上電流傳感器檢測(cè)到的母線電流應(yīng)為0 A，實(shí)測(cè)電流傳感器輸出測(cè)試值為250 mA左右，且一直保持不變。母線電壓、電流波形如圖6所示，故有可能存在電流傳感器故障問題。

2.4? ? 主控盒故障

主控盒故障分為硬件故障和軟件故障，硬件故障主要檢測(cè)相應(yīng)的采樣電路是否出現(xiàn)失效以及未導(dǎo)通的情況，而軟件故障主要排查軟件的邏輯是否符合要求。

2.4.1? ? 硬件故障

電流傳感器采樣后的輸出電流信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，調(diào)理電路原理圖如圖7所示。BMS主控根據(jù)讀取到的采樣電壓值，經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換成電流值。

圖7中AD1為轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)，其計(jì)算方式為：

式中：Vref為基準(zhǔn)電壓1.5 V；Iout1為電流傳感器采樣轉(zhuǎn)換后電流；R72、R94為負(fù)載電阻；R58為反饋電阻。

基準(zhǔn)電壓故障模式分為電壓偏小、偏大或?yàn)?。當(dāng)基準(zhǔn)電壓偏小時(shí)，將導(dǎo)致ADC接收的信號(hào)偏小，造成顯示電流增大；當(dāng)基準(zhǔn)電壓偏大時(shí)，將導(dǎo)致ADC接收的信號(hào)偏大，造成顯示電流減?。划?dāng)基準(zhǔn)電壓為0時(shí)，Vad1約為0 V，超出電流采樣范圍，顯示0 A，但是重新上電后，電流仍然為0 A，與故障現(xiàn)象不一致。

2.4.2? ? 軟件故障

軟件中使用1 s內(nèi)50次電流值取平均值作為電流采樣結(jié)果，計(jì)算采用double類型的32位浮點(diǎn)有符號(hào)數(shù)，使用ADC電壓最大值3 000 mV、最小值0 mV代入軟件代碼中的計(jì)算公式（3），經(jīng)過校核均不會(huì)出現(xiàn)溢出情況。

式中：ImA為采樣平均值；Vadc為ADC電壓值。

若是軟件數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤導(dǎo)致顯示電流為0，那么每次開機(jī)重啟后顯示電流均為0，與故障現(xiàn)象不一致，可排除。

3? ? 故障分析

經(jīng)上述分析排查后發(fā)現(xiàn)，將應(yīng)急電源上報(bào)充電電流異常問題定位于電流傳感器的補(bǔ)償線圈電感量低于設(shè)計(jì)參考值100 mH，傳感器過載，控制響應(yīng)時(shí)間偏短，小于要求值，導(dǎo)致了傳感器輸出鎖定，使得電流傳感器輸出電流保持250 mA左右不變，BMS檢測(cè)到電流傳感器輸出信號(hào)超過73 mA后，認(rèn)為超過量程，將BMS上報(bào)電流值處理為0 A，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)急電源上報(bào)充電電流為0 A。

傳感器采用的DRV421型磁通門芯片是一款完全集成的磁通門芯片，具有閉環(huán)電流傳感器調(diào)節(jié)和補(bǔ)償電路，可實(shí)現(xiàn)精密的隔離式直流和交流電流測(cè)量。當(dāng)電流傳感器受到?jīng)_擊電流影響時(shí)，沖擊電流產(chǎn)生的階躍響應(yīng)將迅速使補(bǔ)償線圈產(chǎn)生大補(bǔ)償電流，隨著時(shí)間累積，補(bǔ)償電流回落到210 mA最低值，但由于磁芯內(nèi)部的磁場(chǎng)持續(xù)增加，最終超出磁通門的測(cè)量范圍。

4? ? 故障解決

要正確使用此過載控制功能，在磁場(chǎng)超過極性檢測(cè)閾值（13 μT）和飽和跳閘電平（1.7 mT）之間至少需要10 μs。最初，初級(jí)電流階躍電感快速耦合到補(bǔ)償線圈（變壓器效應(yīng)），所以初級(jí)電流上升時(shí)間是不受控制的；而補(bǔ)償線圈補(bǔ)償電流的上升時(shí)間由補(bǔ)償線圈電感量決定，較大的電感會(huì)使得補(bǔ)償電流上升變化減緩，時(shí)間延長(zhǎng)。因此，所需的最小電感為100 mH，推薦使用300 mH。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)計(jì)階段，生產(chǎn)方未充分考慮應(yīng)急電源過載和控制時(shí)間偏短的特點(diǎn)，導(dǎo)致應(yīng)急電源出現(xiàn)充電電流異常的故障，擴(kuò)大了應(yīng)急電源故障的影響。本文通過重新選型線圈傳感器的量程范圍，解決了應(yīng)急電源充電電流異常的問題，避免了應(yīng)急電源出現(xiàn)故障從而影響其他設(shè)備設(shè)施的正常運(yùn)營(yíng)，也可為國(guó)內(nèi)應(yīng)急電源的設(shè)計(jì)提供一些參考。

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收稿日期：2023-03-09

作者簡(jiǎn)介：劉茹文（1995—），女，安徽人，助教，從事電力系統(tǒng)分析與研究工作。

朱佑滔（1993—），男，四川人，工程師，研究方向：應(yīng)急電源保護(hù)。